Пероксисомы

Пероксисомы, или микротельца, не являются обязательными компонентами клеток. У высших позвоночных животных они характерны для клеток печени, почечных канальцев, макрофагов. По своей морфологии пероксисомы - это небольшие одномембранные вакуоли, заполненные мелкозернистым веществом, которое в центре органеллы образует плотную сердцевину.

Пероксисомы содержат около 15 ферментов, связанных с метаболизмом перекиси водорода. В результате окисления различных соединений в клетке образуется перекись водорода, являющаяся сильным окислителем, оказывающим на клетку повреждающий эффект. Пероксисомы защищают клетку от воздействия перекиси водорода. В пероксисомах печени и почек происходит обезвреживание токсических веществ. Например, в них окисляется этанол, расщепляются жирные кислоты. Все компоненты пероксисом синтезируются в цитозоле и затем транспортируются внутрь этих органелл через мембраны.

Продолжительность жизни пероксисом 5-6 дней. Новые пероксисомы образуются путём деления исходных. Поэтому их относят к самореплицирующимся органеллам, несмотря на то, что нуклеиновых кислот и рибосом пероксисомы не содержат.

Митохондрии

Митохондрии (от греч. mitos - нить и chondrion - зёрнышко, крупинка) были открыты в 1894 г. немецким гистологом Рихардом Альтманом и названы им «биобластами». Термин «митохондрия» ввёл в 1897 г. немецкий анатом Карл Бенда.

Митохондрии (синоним «хондриосомы») - это двумембранные органеллы, главная функция которых - обеспечение клетки энергией. Образно митохондрии называют энергетическими станциями клетки. Они осуществляют реакции окисления и производят почти весь клеточный пул молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Молекула АТФ - трифосфатный эфир аденина (рис. 21), участвуя в переносе энергии между внутриклеточными реакциями, служит основной «энергетической валютой» клетки. Энергия, выделившаяся в результате окисления питательных веществ, аккумулируется в высокоэнергетических фосфатных связях молекулы АТФ, а затем расходуется клеткой на её собственные синтетические процессы, активный перенос веществ, механическую работу и т.д.

Митохондрии занимают значительную часть цитоплазмы и, обычно, накапливаются в местах высокого потребления АТФ, например, в синаптических окончаниях аксонов; в складках базальной части клеток почечных канальцев непосредственно под плазматической мембраной, содержащей в этой зоне многочисленные ионные каналы; вокруг основания жгутика сперматозоида, вблизи сократимых элементов мышечных клеток и т.д. Их количество в различных клетках варьирует в широких пределах и может достигать 500 - 1000.

По своим размерам и форме митохондрии чрезвычайно разнообразны. Их длина колеблется от 2 до 10 мкм и более, а диаметр составляет от 0,2 до 1,0 мкм. В клетках разных типов митохондрии имеют различную форму: сферическую, эллиптическую, палочковидную, разветвлённую и др. Иногда они образуют сложные структуры, такие как митохондриальный ретикулум мышечных клеток (см. главу 5), или митохондриальную спираль спермиев (см. главу 2). Совокупность всех митохондрий одной клетки называется хондриом.

Митохондрии необыкновенно лабильны. Как показывают наблюдения за живыми клетками, они могут перемещаться, изменять форму, расти, сливаться друг с другом и делиться.

Как указано выше, основная функция митохондрий - это окисление органических субстратов и фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

АДФ + Ф = АТФ

В качестве органических субстратов при этом используется углеводы (преимущественно глюкоза), а также жирные кислоты и аминокислоты. Основные стадии процесса окислительного фосфорилирования показаны на рис. 22.

Глюкоза

Гликолиз

в цитозоле Жирные Амино-

(2 АТФ) Пируват кислоты кислоты

Внутренняя

мембрана

ацетил-СоА

ц Наружная

и мембрана

т

о цикл

з 2 АТФ 2 АТФ

о Кребса СО₂ СО₂ ­

л

ь

АДФ АДФ

+

Ф Ф

НАД×Н

О₂

34 АТФ 34 АТФ

`е

Н₂О

Н⁺ Н⁺ Н⁺

Рисунок 22. Схема основных биохимических процессов, происходящих в митохондриях. Указанное количество молекул АТФ образуется при полном окислении одной молекулы глюкозы.

Начальный этап расщепления углеводов протекает в цитозоле, не требуют присутствия кислорода и называется гликолизом. Он состоит из серии химических реакций, в результате которых из каждой молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты. В начале гликолиза расходуются 2 молекулы АТФ, а затем, обычно, образуются 2 - 4 молекулы АТФ. Максимальный энергетический результат гликолиза в расчёте на одну молекулу глюкозы равен двум молекулам АТФ.

Гликолиз - филогенетически наиболее древний способ расщепления глюкозы - широко распространён в живой природе. У анаэробных организмов это единственный способ получения энергии. В клетках высших позвоночных животных, интенсивный гликолиз используется для получения энергии в эритроцитах, клетках скелетных и сердечной мышц, печени, эмбриональных клетках, опухолевых клетках. Однако, у большинства клеток высших животных гликолиз является стадией, предшествующей кислородному дыханию. Его продукт, пировиноградная кислота (пируват) - С₃Н₄О₃, поступает в митохондрии.

С₆Н₁₂О₆ ® 2С₃Н₄О₃ + 4НАД×Н + 2АТФ

В результате гликолиза образуются 4 атома водорода. Их акцептируют молекулы кофермента НАД (никотинамидадениндинуклеотид). В цитоплазме формируются комплексы НАД×Н. Цитоплазматические НАД и НАД×Н не способны проникать сквозь мембраны митохондрий, поэтому для транспорта водорода в митохондрии существуют специальные челночные системы.

Если кислород в клетке отсутствует или его недостаточно, то молекула пировиноградной кислоты за счёт двух атомов водорода восстанавливаются до молочной кислоты.

В митохондриях пируват соединяется с коферментом А (СоА). В результате образуются сложное производное уксусной кислоты - ацетилкофермент А (ацетил-СоА), СО₂ и НАД×Н. Ацетил-СоА (С₂Н₃О-SСоА) включается в цикл лимонной кислоты, СО₂ выделяется из клетки, а НАД×Н направляется к дыхательной цепи.

Следующий этап аэробного дыхания называется циклом лимонной кислоты, или циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса*. Цикл Кребса представляет собой монотонно повторяющуюся последовательность ферментативных окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, в результате которых в каждом цикле образуется две молекулы СО_2., которые удаляются из клетки, и три атома водорода, образующих комплексы НАД×Н**, которые направляется в дыхательную цепь митохондрии.

Совокупность описанных выше процессов гликолиза, образования ацетил-СоА и цикла Кребса можно записать следующим суммарным уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О ® 6СО₂­ + 4АТФ + 24НАД×Н

Атомы водорода транспортируются акцепторными молекулами в дыхательную цепь, где освобождаются от НАД×Н, передаются по цепи переноса электронов и поэтапно окисляются молекулярным кислородом до воды. Одновременно осуществляется фосфорилирование АДФ в АТФ.

Компоненты дыхательной цепи, включающие флавопротеин, кофермент Q и цитохромы типов а, в и с, локализованы на внутренней мембране митохондрии. Дыхательная цепь организована таким образом, что в трёх её специальных пунктах при переходе Н⁺ от одного переносчика водорода к другому высвобождаемая небольшая порция энергии используется для синтеза молекул АТФ. В конце окислительной цепи водород соединяется с молекулярным кислородом и образует воду.

Суммарное уравнение реакций дыхательной цепи можно записать следующим образом:

24Н⁺ + 6О₂ ® 12Н₂О + 34АТФ

__________________________________________

*в честь английского биохимика Ханса Кребса, открывшего этот процесс в 1937 году.

** В цикле Кребса в качестве акцептора водорода наряду с НАД участвует и другое производное никотиновой кислоты - кофермент ФАД (флавинадениндинуклеотид).

Всю совокупность реакций полного окисления глюкозы можно записать суммарным уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ® 6СО₂­+ 6Н₂О + 38АТФ

При полном окислении одной молекулы глюкозы максимальный выход АТФ равен 38 молекулам. При полном окислении молекулы пальмитата (жирной кислоты) образуется примерно 129 молекул АТФ.

В структуре митохондрий выделяют четыре основных отдела: наружная мембрана, межмембранное пространство, внутренняя мембрана и митохондриальный матрикс (рис. 23).

Наружная митохондриальная мембрана содержит многочисленные широкие гидрофильные каналы, образованные белком порином. Эти каналы пропускают молекулы массой до 10 кДа, включая небольшие белки. Эти молекулы могут проникать в межмембранное пространство, но бóльшая их часть не способна проходить сквозь внутреннюю мембрану. Помимо этого, в состав наружной мембраны входят ферменты, катализирующие синтез митохондриальных липидов.

Межмембранное пространство достаточно узкое, его ширина составляет около 10-20 нм, химический состав эквивалентен составу цитозоля, но в нём отсутствуют белки, молекулярная масса которых превышает 10 кДа.

Основная функциональная часть митохондрий - это матрикс и внутренняя мембрана.

Внутренняя митохондриальная мембрана высоко специфична и непроницаема для большинства молекул и ионов. Её липидный бислой содержит значительное количество кардиолипина и фосфолипидов. Локализованные в ней белки подразделяются на четыре группы:

1. ферменты дыхательной цепи;

2. ферментный комплекс, называемый АТФ-синтетазой;

3. специфические транспортные белки, обеспечивающие перенос метаболитов в матрикс митохондрий и из него;

4. сукцинатдегидрогеназная система (одно из звеньев цикла Кребса).

Внутренняя мембрана митохондрий образует многочисленные складки, кристы, значительно увеличивающие её рабочую поверхность. Количество крист и их рисунок в разных клетках значительно варьируют. Тем не менее, кристы не нарушают непрерывность матрикса, заполняющего внутреннюю полость митохондрии.

Митохондриальный матрикс содержит огромное количество различных ферментов: ферменты, превращающие пируват и жирные кислоты в ацетил-СоА; ферменты цикла Кребса, коферменты НАД, НАД×Н, ФАД, ФАД×Н и др., большое количество АТФ, АДФ и многие другие вещества.

В матриксе митохондрий располагаются кольцевые молекулы ДНК, число которых варьирует в значительных пределах, РНК и рибосомы. Митохондрии (как и другие двумембранные органеллы - хлоропласты растительных клеток) обладают собственной системой авторепродукции, то есть имеют собственный геном. У человека митохондриальная ДНК содержит 16500 нуклеотидных пар. Геном митохондрий расшифрован полностью. Он содержит 37 генов: 22 из них кодируют транспортные РНК, 2 - рибосомные РНК и 13 - белки (НАД×Н-дегидрогеназы, сукцинатдегидрогеназу, АТФ-азы и др.). Однако, кодируемые митохондриальным геномом белки - это лишь небольшая часть (не более 5 - 6 %) всех белков митохондрий. Только в цикле Кребса участвуют около 70 белков. Бóльшая часть митохондриальных белков кодируется центральным, ядерным геномом.

Генетический код нуклеиновых кислот митохондрий не совпадает с кодом ядерного генома. Экспериментальные данные показали, что генетические коды митохондрий животных клеток и растительных клеток также имеют отличия.

Внутри митохондрий синтезируются 22 транспортные РНК. Митохондриальные рибосомы отличаются от цитоплазматических меньшими размерами: в животных клетках - 50S, в растительных - 70S.

Большинство митохондриальных белков синтезируется в цитозоле в форме предшественников, содержащих сигнальный пептид. Посттрансляционно они переносятся через специальные контактные зоны митохондрий. Наружная мембрана содержит рецепторы, распознающие сигнальную последовательность. Механизм переноса белков достаточно сложен. Две мембраны митохондрий локально объединяются, формируя специальные каналы, через которые протягиваются белки-предшественники. При этом полипептидная цепь разворачивается. В полости митохондрий сигнальный конец удаляют специфические протеазы, затем белки-шапироны обеспечивают пространственную укладку полипептидной молекулы, и она превращается в зрелый белок.

Таким образом, в биосинтезе белков митохондрий принимают участие две генетические системы (митохондриальная и ядерная).

Обычно, срок жизни митохондрий составляет около 10 дней. Их утилизация происходит путём аутофагии. Обновление митохондрий происходит за счёт деления существующих митохондрий путём их перешнуровки. Деление митохондрий и репликация митохондриальной ДНК не зависят от фаз клеточного цикла. Эти процессы регулируются только энергетическими потребностями клетки.

Наследование митохондриальных ДНК у человека происходит по материнской линии. Повреждения митохондриальной ДНК в клетках различных органов вызывают так называемые «митохондриальные болезни». Эти заболевания имеют широкий спектр клинических проявлений и связаны с поражением органов, в клетках которых протекает интенсивный энергетический обмен: сердце, центральная нервная система, почки, печень, инсулиновые островки поджелудочной железы, сетчатка глаза, скелетные мышцы и т.д. Симптомы большинства митохондриальных болезней (сердечная недостаточность, диабет, патологии почек, печени, зрения и др.) чаще проявляются у пожилых людей и связаны с накоплением мутаций митохондриальной ДНК. Известно, что частота её мутаций в десять раз превышает частоту мутаций ядерной ДНК. Это объясняется тем, что митохондриальная ДНК располагается в реакционном пространстве - матриксе митохондрий - и постоянно подвергается окислительному стрессу, а также отсутствием защитных белков, отсутствием ферментных систем, контролирующих точность репликации и т.д.